生物燃料新时代引发环境担忧

俄罗斯入侵乌克兰正在挤压全球石油供应，通货膨胀正在推高加油站的价格。尽管近几个月汽油价格已开始下跌，但这种情况有力地提醒了世界对化石燃料的依赖。

这也意味着生物燃料正迎来发展机遇。玉米乙醇行业自豪地宣称，将其产品掺入汽油中可以为消费者省钱，并在为其酿酒厂供货的农业社区创造就业机会。

为长途卡车生产可再生柴油燃料的炼油厂正在尽可能快地扩张。一些炼油厂正在建设旨在加工棕榈油、大豆油和卡诺拉油的生物炼油厂，而另一些炼油厂则在其石油原料中添加植物油和动物脂肪。石化生产商菲利普斯66公司正在投资8.5亿美元改造其位于加利福尼亚州罗迪欧的炼油厂，使其完全加工生物原料。据市场分析师称，已宣布的美国炼油厂扩建可能会使生物燃料制造商对大豆油的需求超过该国的总供应量。如果用这些植物来源的液体填充燃料箱可以通过减少对化石燃料的需求来减少碳排放，这将有助于应对威胁人类和生物多样性的气候变化。

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原则上，生物燃料的可持续性似乎显而易见。当生物燃料作物生长，车辆燃烧它们产生的燃料时，碳会在大气中循环进出。但工业界声称生物燃料能实现更环保的交通运输，却不断受到大量报告的抨击。事实上，作为市场领导者的第一代生物燃料似乎在气候方面并不比化石燃料好多少。2022年的一项评估¹ 发现，美国的《可再生燃料标准》计划——该计划要求运输燃料中含有最低量的可再生燃料，并推动了全球近一半的生物燃料生产——可能增加了温室气体排放。这种违反直觉的结果是由于农业作业涉及柴油动力拖拉机和天然气制成的肥料。肥料会释放一氧化二氮，这是一种温室气体，其效力几乎是二氧化碳的300倍。即使是农田土壤也会释放储存的碳，而这些碳对其恢复力和肥力至关重要。

更糟糕的是，对生物燃料作物的需求增加已将农业扩展到边际土地，破坏了生物多样性，增加了用水量和污染，并推高了农产品价格，从而加剧了粮食不安全。2022年评估的作者得出结论，只有实践和政策上的“深刻进步”才能使美国的计划具有可持续性。

农艺师、作物遗传学家和碳排放生命周期科学家对此表示赞同。为了使农业更智能，农民需要密切关注哪些作物最适合在哪里种植，以及这些作物是如何种植的。采用再生农业方法，例如减少土壤耕作，可以保留碳和养分。种植一系列新兴的冬季油籽也可以做到这一点，这些油籽可以在粮食作物轮作期间季节性种植。这将产生收入，可以支付一种称为覆盖作物且很少有农民采用的土壤保护措施的费用。

“我们的土地覆盖作物种植面积不到2%。如果你达到40-50%，你就能满足对低碳原料的巨大全球需求，”格伦·约翰斯顿说，他指的是种植作物以保护和改良土壤的过程——在这种情况下，这种作物也可以用来制造生物燃料。约翰斯顿在加利福尼亚州萨克拉门托附近的研究中心领导农业综合企业努希德的监管和可持续发展项目。

尽管有这样的前景，但生物燃料的新时代仍然存在环境担忧。研究人员认为，需要大大改进监管，以确保该行业朝着可持续发展的方向发展。追踪碳是一个复杂的过程，充满了陷阱。如果搞错了，生物炼油厂最终可能会成为又一种以失败告终的环境灵丹妙药。

深入挖掘

十年前，向更好的生物燃料过渡似乎迫在眉睫。新一代商业规模的生物炼油厂在美国、巴西和欧洲上线。它们旨在利用纤维素丰富的原料（如农业残渣、草或速生树木）生产乙醇，这些原料通常在边际农田上生长良好，并且比玉米或大豆需要更少的密集耕作。到目前为止，这些由可持续原料制成的纤维素生物燃料本应大量涌入燃料市场，从而减少交通运输排放——交通运输是全球增长最快的二氧化碳来源。

唉，纤维素燃料的流量几乎微不足道。加工设备被证明难以操作，汽油价格下跌，政府放松了旨在迫使价格较高的纤维素燃料进入市场的指令。“最终，所有这些设施都举步维艰。大多数设施要么今天以极低的水平生产，要么根本不生产，”田纳西州橡树岭国家实验室研究生物能源系统减缓气候变化潜力的约翰·菲尔德说。

没有停止的是推动食品生物燃料的慷慨激励措施及其缺点。欧洲的可再生能源指令推动了巴西、印度尼西亚和其他地方热带雨林的采伐和刀耕火种，为大豆和油棕种植园让路，取代了土著社区和野生动物，并释放了热带雨林的大量碳储量。碳不仅来自树木；甚至更多的碳可以从土壤中释放出来，因为土壤会升温和干燥。事实上，土壤中储存着地球生物圈中约四分之三的有机碳。

农业和贸易政策研究所位于明尼苏达州明尼阿波利斯的农村战略和气候变化主任本·利利斯顿说，较新的将生物燃料激励措施与其碳强度挂钩的计划，例如加利福尼亚州的低碳燃料标准，仍然未能防止土地利用变化可能带来的意外后果。对原料的需求会释放储存在森林和农田土壤中的碳，监管机构很难将这些碳纳入考虑范围。例如，在过去五年左右的时间里，美国生物炼油厂购买了美国大豆收成中越来越多的份额。这可能会间接增加碳排放，因为其他地方的大豆生产商会扩大规模以满足美国的大豆需求。

由此产生的碳债务可能永远无法偿还。根据2020年的一项研究²，一旦将土地利用的影响考虑在内，棕榈油衍生生物燃料的碳强度是石油燃料的三倍。

为生物炼油厂供应原料的农业也带来了机会成本，因为在许多情况下，将相同的土地恢复为森林或原生草地将提供更大的净碳减排量。“对生物燃料的典型分析实际上忽略了这种成本——从气候角度来看，它将土地视为免费的，”普林斯顿大学能源与环境政策研究中心位于新泽西州的食品项目技术主管蒂姆·瑟钦格说。

充分说明生物燃料碳足迹或减排量所需的土地利用和生命周期研究既复杂又昂贵——并且可能会为生物燃料生产商带来不便的结果。此外，找到可靠的数据并非易事。例如，土壤碳在短距离内差异很大。随着时间的推移，变异性意味着可能需要长达十年的时间，取样才能检测到土壤碳的重要变化。“正确地做这件事既耗时又昂贵，”英国兰开斯特生态与水文中心研究土壤碳的丽贝卡·罗说。

环境保卫基金会位于伦敦的可持续国际运输主任佩德罗·皮里斯-卡贝萨斯表示，这使得评估生物燃料的可持续性“令人望而生畏”。“它很快就会变得疯狂，”他说。但皮里斯-卡贝萨斯认为，存在一些工具和方法可以可靠地简化复杂性，这些工具和方法将表明，某些生物燃料确实可以减少碳排放，而不会破坏生态系统和社区。皮里斯-卡贝萨斯撰写了一本关于跟踪方法的手册（请参阅go.nature.com/3s6hco2），该手册可以确保航空化石燃料的替代品具有“高度完整性”。

然而，皮里斯-卡贝萨斯不太相信，如此严格的分析将表明生物燃料可以大规模可持续生产。而且，由于另一种替代燃料——通过可再生电力和氢气生产的电燃料——带来的新兴挑战，他对生物燃料的经济可行性持悲观态度。皮里斯-卡贝萨斯预测，在未来十年内，通过使用电燃料避免一吨二氧化碳排放的成本将降至约70美元。他说，使用当前生物燃料减少一吨碳的成本为300-400美元，而且这个成本可能会上升。

关于生物燃料的最终困境是有限土地的竞争加剧。《世界资源研究所》（位于华盛顿特区的一个可持续发展智库）预测，2010年生产的食物热量与2050年需要的食物热量之间存在56%的差距（请参阅 go.nature.com/3tknoy3）。与此同时，大多数限制全球变暖以符合《巴黎气候协定》的减排路径都需要彻底减少农业用地使用。因此，生物燃料生产的扩张将不可避免地推高食品价格并加剧粮食不安全，世界资源研究所研究环境核算和技术并负责研究的珍妮特·兰加纳坦说。她怀疑未来的进步是否能确保生物燃料发挥更大的作用：“除非消除种植生物燃料的专用土地的需求，否则改进的前景有限。”

碳覆盖

尽管面临强大的逆风，研究人员仍在继续努力提高生物燃料的可持续性。“除了让土地恢复完全荒野状态外，我们将始终在影响与社会需求之间取得平衡，”罗说，她的工作正在帮助英国政府实施计划，到2050年将生物能源作物的种植面积从几乎为零扩大到英国土地面积的约3%。

菲尔德的研究表明，生物燃料仍然有可能不仅仅是一种必要的恶。在他和他的同事在2020年发表的一篇论文³ 中，他们通过模拟表明，在某些条件下，纤维素乙醇可以媲美甚至超过生态系统恢复的气候效益。最佳结果出现在土地利用从粮食作物或牧场转变为种植柳枝稷（Panicum virgatum）的情况下，柳枝稷是纤维素生物燃料的一种流行原料。在这些情况下，菲尔德和他的合著者估计，碳减排潜力与重新造林相当。研究人员预测，如果能够提高作物产量和生物加工技术，并且如果生物炼油厂产生的二氧化碳能够永久封存在地下深处，那么供应纤维素原料最终可以储存的碳量是重新造林的四倍。“这是一种理想，但这些是目前研究和开发关注的重点领域，”菲尔德说。

公司已经在北达科他州和伊利诺伊州开发二氧化碳管道，并且它们有资格根据8月份通过的美国《通货膨胀削减法案》获得更高的税收减免。当然，这些公司也面临着巨大的阻力，包括来自土地可能位于管道路径上的农民的阻力。

对于英国生物能源作物规模扩大，罗说，芒草（Miscanthus）（一种类似于柳枝稷的作物）和其他多年生原料是首选。英国政府预计，这些作物将有助于在2030年代之前减少生物炼油厂的排放，特别是当与深层封存相结合时。罗说，关键是要利用从生物燃料开发中吸取的经验教训，找出最可持续的种植地点。这通常意味着避开高碳土壤，如泥炭地、生物多样性热点地区和高价值农田。

可持续性的最佳候选者是正在开发的覆盖作物，这似乎是对反对将土地用于生物燃料的论点的良好回应。休耕地中的土壤往往会板结，并且容易受到风雨侵蚀。覆盖作物扎根以固定土壤及其养分，并形成通道，帮助水分渗入而不是流失。农民可能会被说服种植油籽覆盖作物，因为该作物可以通过生产可以供应给生物炼油厂的油来支付自身成本。

努希德的卡里纳塔作物——从油菜（Brassica carinata）改良而来，它是油菜（Brassica napus）的一种高大表亲——产生富含能量的不可食用油。它具有强大的功能：约翰斯顿说，卡里纳塔擅长将碳储存在土壤中，并且含油量约为大豆的2.5倍，而大豆是可再生柴油的主要作物。最重要的是，他说，卡里纳塔不与粮食供应竞争，也不会造成危害气候的土地利用变化。后一个优势意味着，尽管仅土地利用影响就使每兆焦耳大豆基燃料提供的能源增加4-26克二氧化碳排放量，但根据菲尔德的说法，卡里纳塔使每兆焦耳燃料的排放量减少9-13克。“土地利用变化从一种高度不确定但可能造成巨大负债的情况，转变为具有微小但积极影响的情况，”菲尔德说，他是与努希德合作开展卡里纳塔研发的财团的成员。

菲尔德及其同事在2022年发布的一份报告⁴ 中显示，卡里纳塔可以支持美国东南部的生物燃料产业发展壮大。他们模拟了在佐治亚州南部、阿拉巴马州南部和佛罗里达州北部（占美国耕地面积的百分之几）每三年施用一次卡里纳塔的情况，预计年收成将超过200万吨。这足以生产约10亿升航空燃料。

推动严格规则

努希德于2019年在阿根廷开始商业种植，今年正在向法国生物燃料生产商赛普尔公司运送足够的油籽，供该公司生产数百万升可再生燃料。努希德计划在今年年底前扩展到美国东南部，并在2024年前扩展到巴西。它打算在此后快速扩大规模，并在能源巨头英国石油公司的十年供应和市场开发协议的帮助下，到2030年实现每年支持数十亿升燃料的生产。

约翰斯顿说，为了让卡里纳塔在生物燃料领域发挥更大的作用，需要更智能的政策。他说，政府的生物燃料计划缺乏广度和针对性，无法识别和奖励该作物的益处。

利利斯顿对此表示赞同，他说，向加利福尼亚州销售大豆衍生燃料的炼油厂不会因工业耕作方式造成的土壤碳消耗而受到惩罚。加利福尼亚州和其他司法管辖区正在规划更复杂的碳核算，但对于油籽覆盖作物开发者来说还不够快。

相反，正在快速发展的是监管不力的碳抵消市场——这种金融工具可能会使再生农业声名狼藉。与土壤碳挂钩的抵消，由经纪人以及一些农业巨头创建，支付农民采用对碳友好的做法。公司购买大部分抵消，以声称在实现“到2050年净零排放”等减排承诺方面取得进展。

然而，这些抵消市场通常忽略与碳核算相关的陷阱，并且缺乏准确土壤碳测量所需的严格性。许多抵消市场规定，土壤取样只需达到30厘米的深度，但研究表明，可靠的核算需要对作物的整个根系区域进行取样，根系区域可能会延伸至一米或更深。一些市场还允许合同要求农民维持气候友好型做法至少五年，之后可能不清楚碳储存量是上升还是下降，更不用说上升或下降了多少。

一个很大的担忧是，土壤碳抵消的好处，包括与覆盖作物生物燃料原料相关的那些好处，最终可能会被证明是虚幻的，从而破坏净零目标的完整性。当监管机构迎头赶上时，这些抵消也可能鼓励游说以制定较弱的政府规则。“购买具有可疑核算方法的廉价土壤碳抵消的人有既得利益，要确保未来的法规不会降低其抵消的价值，”兰加纳坦说。

事实上，这些市场也可能有助于延续当今主导农业的掠夺性文化。农民依靠农业综合企业巨头和化石燃料供应商提供燃料、肥料和种子等产品，并且他们难以维持生计，因为这些大公司占据了农业的大部分经济价值。如果农民还依赖这些公司的抵消计划来弥补再生作物生产的价值，那么这种平衡可能会进一步倾斜。

农业社区的倡导者反而呼吁彻底改革农业生态系统，以便向这些社区回馈更多——正如利利斯顿所说，这是一个“循环自然资源和经济资源以创建更可持续和更有弹性的系统”的系统。

但彻底改革农业是一项艰巨的任务。如果生物燃料的可持续性取决于如此根本性的变化，人们不禁要问，下一次新一代生物燃料的失败是否不是更有可能的结果。

本文是《自然瞭望：循环经济》的一部分，这是一份在谷歌的财政支持下制作的编辑独立增刊。有关此内容。

参考文献

1. Lark, T. J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 119, e2101084119 (2022).

2. Xu, H., Lee, U. & Wang, M. Renew. Sust. Energ. Rev. 134, 110144 (2020).

3. Field, J. L. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 117, 21968–21977 (2020).

4. Field, J. L. et al. Front. Energy Res. 10, 837883 (2022).